Про эту вашу физику

Глава 4 Парадокс близнецов

Спорим, что даже если вы никогда не слышали, что скорость света постоянная, то вот это словосочетание «парадокс близнецов» вам знаком. Может, вы думаете, это что-то из астрологии про людей, родившихся под одноименным созвездием, или из магической психологии, мол, все разлученные близнецы болеют одним и тем же, любят одинаковые игрушки и называют своих собак тузиками, или вы-таки догадываетесь, что это связано с космосом, потому что про парадокс близнецов рассказывают и показывают в фантастических фильмах.

Штош! Попробуем быстренько ввести в курс дела, чтобы вы могли консультировать менее искушенных товарищей о том, что происходит в кино про далекие галактики, и какого лешего это вообще названо парадоксом.

В основе парадокса лежит драматичная история про двух близнецов, которые родились в один день, но судьба раскидала их по разным жизненным путям. Один близнец, к несчастью, стал офисным работником, а второй — космонавтом. И вот пока первый близнец составляет еженедельный отчет о проделанной работе по созданию отчетов в текущем квартале, другой брат выполняет важную научную миссию: сгонять за пределы солнечной системы, чтобы сфотографировать соседнюю звезду. Ракета с тридцатилетним мужиком на борту стартует с Земли и с огромной скоростью летит в глубокий космос. Вслед ему машет платочком тридцатилетний брат. После этого долгое время ничего интересного не происходит: один брат по-прежнему клепает отчеты, а второй — скучает в космическом корабле. Минуют годы, и на Земле проходит шестьдесят лет. Офисного работника поздравляют с девяностолетием, и с почетом отправляют на пенсию (ведь к тому времени пенсионный возраст снова повышают для решения демографических проблем). И вот он сидит у себя в заработанной квартирке-студии на 25 кв. м, пьет чай и смотрит на свои грамоты и подаренные часы. И вдруг новость — из космоса возвращается брат-близнец. Схватив костыли, гуманитарий шкандыбает на космодром, стоит перед дымящейся ракетой и ждет своего постаревшего брата, чудом выжившего в жестоком и беспощадном космосе. Брат-близнец под музыку и вспышки фототехники выходит из межзвездного корабля, но неожиданно это не глубокий старик, а шестидесятилетний дядька в расцвете лет с шикарной бородой и целыми зубами.

То есть одному близнецу — девяносто лет, а второму — шестьдесят. На Земле минуло шестьдесят лет, а в космическом корабле — только тридцать.

Человеки, что-то слышавшие про замедление времени в космосах, пожмут плечами и скажут, ну, это понятно, обычное дело, мы такое в кино видели. А те, кто нахватался по верхам этих ваших теорий относительностей возмутятся. Постойте, скажут они, тут что-то не то. Ведь всё относительно.

Вернемся к специальной теории относительности, край которой мы задели в первой лекции про скорость света. Из нее следует простой и непримечательный факт о том, что если вы стоите и скучаете на остановке, а мимо вас с приличной скоростью несется мажор на «инфинити», достигая две трети скорости света, то вы наблюдаете интересное явление — время у него течет медленно, а размеры его машины сокращаются. То есть вы видите, что он тот еще тормоз: медленно рулит, медленно ковыряет в носу и медленно фоткает себя на айфон для соцсетей. А его «инфинити» выглядит как сплющенная дедова «ока», что гниет у вас на даче.

Но всё относительно. С точки зрения мажора это он покоится на месте, а мимо него проноситесь как раз вы. И именно у вас замедлено время: вы медленно попиваете свой нищебродский эспрессо, медленно сплевываете в урну, да и сами выглядите худым как жердь, потому что плохо кушаете — хотя всё это тоже релятивистские эффекты.

Относительность такова, что не важно кто на самом деле движется — сопутствующие эффекты будут наблюдаться с любой стороны. Вот тут и возникает вопрос про близнецов: какого чёрта один оказался младше другого. Ведь, двигаясь относительно Земли, брат-космонавт должен был «наблюдать», как медленно идет время у брата-гуманитария. А офисный работник должен был «видеть» тоже самое, но в отношении космонавта. Ну а по прилету всё должно было как-то уравняться взаимозачетом, синхронизироваться или еще что-то произойти так, чтобы относительность согласовалась, и никто бы не ушел обиженным.

В этом и есть парадокс. И является таковым для поверхностного понимания специальной теории относительности, так как выглядит как-то подозрительно. Получается, что не все относительно, и кто-то во Вселенной имеет особые права доступа ко времени и пространству.

Вот тут-то мы и возвращаемся к лекции номер два, в которой мы распинались о том, почему падает яблоко.

В истории про двух космонавтов действительно есть относительный полет, в котором системы отсчета равноправны, и время обоюдно замедляется у обоих участников. Но так же есть участки движения, где нельзя сказать, что, мол, все относительно, товарищи. Мы говорим, как минимум, о трех моментах в путешествии космонавта, когда ему приходилось менять скорость: во время разгона в начале путешествия, во время разворота у звезды, во время торможения при подлете к Земле.

В указанные моменты космонавт преставал лететь равномерно, а двигался с ускорением, и в такие моменты вся относительность накрывается медным тазом. «Преимущество» получал тот, кто ускоряется.

Для облегчения понимания не будем заострять внимание на моментах старта и финиша. Вот у нас космический брат летит к дальней звезде и «наблюдает» (например, они шлют друг другу фотки на фоне календаря) за временем своего близнеца — у того оно замедлено и брат-гуманитарий практически не стареет, ему чуть больше тридцати, в то время как на часах космонавта время идет в нормальном темпе и в путешествии к звезде проходит пятнадцать лет. Но вот около звезды совершается крутой и быстрый разворот. Что же «видит» космонавт после разворота? — во время маневра его брат близнец постарел на шестьдесят лет (внимание, числа приведены не расчётные, а для наглядности). Именно в момент нахождения космонавта в режиме торможения-ускорения (а, как мы помним, движение по окружности, создает ускорение) он переходит в неинерциальную систему отсчета, и относительная синхронизация времени исчезает: происходит рассинхронизация часов.

Затем космический путешественник летит назад с постоянной скоростью и «видит» как старение брата снова замедляется, и тому к моменту приземления всего лишь девяносто и полгода. А сам космонавт стареет еще на пятнадцать лет.

Сложно? Да, это она самая — теория относительности.

Почему так происходит, рассказать в нашем постироническом жанре не получится. Надо медленно и вдумчиво курить несколько томов математики, а потом браться за физику. Но причины все те же: скорость света постоянна, инерция и сила тяжести эквивалентны, ну, и геометрию никто не отменял. Во время движения космонавт переходит из инерциальной системы отсчета в неинерциальную или, по-русски говоря, движется то равномерно, то ускоряется. Все эти телодвижения и вызывают сбой часов как у него, так и наблюдателей.

Частенько люди, наглухо отрицающие физику старше 19 века, говорят нам, мол, парадокса близнецов не существует, потому что Эйнштейн все выдумал, скорость света легко превышается (а скорость мыслеформ вообще мгновенна), а часы идут одинаково в любых уголках вселенной. Поэтому для них тяжелым ударом является отсылка к эксперименту, проведенному в семидесятых годах прошлого века, когда брали пару сверхточных атомных часов, сверяли их, а затем одни часы оставляли на земле, а вторые запускали облетать планету на реактивном самолете. И что вы думаете — часы из самолета отставали. И не думайте, что там какие-то проблемы с часами, нарушение техники безопасности или что-то не туда воткнули, что-то не то нажали. Эксперимент повторяли много раз и не только с самолетами, но и с частицами на коллайдерах. Время участников эксперимента текло по-разному и приводило к вышеописанному эффекту.

Таким образом, парадокс близнецов довольно быстро перестал быть парадоксом, но название закрепилось и все еще смущает умы юных опровергателей современной и не очень физики.

Оставайтесь с нами!